课程设计：简易自动干手.docx

郑州轻工业学院 简易自动干手电路
摘要
随这经济的发展，人们的生活质量的提高，人们对生活理念的要求也不断的提升比如人们对生活要求更为环保，对一些生活细节要就更为细致，而我们的干手装置就随着这些要求而诞生了，干手装置的诞生给我们的日常生活带来了许多的便利，它让我们的生活变的更为便利，更为节约。所以在现在的高端会所和酒店都采用了干手装置。
简易干手装置主要由五部分电路组成：
红外发射电路、红外接收电路、开关延迟电路、电风机电路和电源电路组成。当手放在干手器下面的时候，手反射发光电路发出的红外光，使红外接收电路感应到红外光信号，然后报信号传送给开关延迟电路通过继电器启动电热风吹风，从而达到干手的效果，其中电源电路是为以上四个电路提供适当的电源。

关键词：红外发光电路 红外接收电路 开关延迟电路 电热吹风电路 电源电
路 信号放大器

1. 概述
自动干手器广泛应用于宾馆酒店、机场车站、体育场馆等公共场所的洗手间。它的工作原理简单来说就是用红外线电子开关来控制电热吹风机当有人手伸过来时感应到红外线电子开关自动将吹风机打开当人手离开时自动关闭吹风机。根据原理用一只普通的电热吹风机加装一个红外控制开关就能组成一个自动干手器通过查阅资料获得以下方案：
简易自动干手电路由红外线发射电路，红外线接收放大电路，时间延迟电路，以及继电器电路，电热吹风机开关电路和电源电路组成。利用555定时器及多谐振荡器和单稳态触发器等元件即可组成红外线自动干手器电路。
当人们需要干手时人们把手靠近干手器时由于手对红外线的反射作用使555定时器构成的单稳态触发器产生一段时间的高电平定时。控制自动干手器打开加热装置和吹风装置一段时间后会自动停止时间长短可以通过NE555定时器的可变电阻器进行调节。所以它的自动感受功能给我们带来了很大的便利，受到了人们的欢迎。
2. 系统总体方案设计
2.1 系统组成框图
简易自动干手器控制电路的总体框图如图2-1。它是由红外线发射电路，红外线接收电路，时间延迟电路，自动干手器开关电路和电源电路五部分构成的。加上电机吹风电路，就构成了完整的干手器。
图2-1
红外线发
射电路
红外线接
收电路

时间延迟
电路

自动干手器开关电路
电源电路

基本原理
红外线发射电路的功能的利用红外线发光管发射脉冲，从而实现电路对人体的感应。红外线接收电路功能的利用光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大。时间延迟电路实现对自动干手器开关打开时间的控制。利用555定时器及多谐振荡器和单稳态触发器等元件即可组成红外线自动干手器电路。当人们需要干手时，人们把手靠近干手器时，由于手对红外线的反射作用，使555定时器构成的单稳态触发器产生一段时间的高电平定时。控制自动干手器会打开加热装置和吹风装置一段时间后会自动停止，并可以通过NE555自动的可变电阻器进行调节。
2.2红外发射电路
图2-2电路为红外线发射电路，主要组成部分就是NE555构成的多谐振荡器和红外线发射管SE303。SE303发射的红外线在可见光范畴之外而NE555作为多谐振荡器发射固定频率的方波脉冲信号，激发SE303产生特定频率的红外线。红外发射部分由555 时基电路产生频率为5kHz，占空比为1/3的方波信号，驱动红外发射管发射红外线。红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值。而作为感应装置则要求其具有较大的光输出。
图2-2

一般利用其相应速度快的特性，通过脉冲驱动来增大光输出。因此电路前端需要一个脉冲信号电路，采用两个发光二极管增大发射面积。本电路采用的是由NE555集成电路构成的多谐振荡器组成。其电路运行包含两个过程：一是利用直流电源经电阻R1和R2对电容C1充电，二是经电阻R2从NE555集成电路的DIS端的放电过程。通过这两个过程的交替运行，就可以在NE555集成电路的输出电路端Q产生脉冲信号。其输出脉冲信号的频率f和 占空间比q为：
f=1/0.7（R1+2R2）C1=1/0.7（1MΩ+2*1MΩ）100pF≈5KHz
q=R1/(R1+2R2)= 1MΩ/（1MΩ+2*1MΩ）=1/3
这样输出电路端Q产生脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，其中，因为红外反向电压不能过高，用二极管D起保护红外发光二极管的作用。
2.2 红外接收电路
如图2-3所示为红外接收电路。红外接收管输出信号是一个十分微弱的信号，为了使后续电路能够对光强信号进行处理，因此需要加入信号放大电路。图左边所示电路为信号放大电路。该电路是由电阻R,,5,6,7，8, T2,T1 和C3，C4构成。电路中采用了双三极管构成放大电路，这样就可以使得电路的放大倍数比单管放大倍数更大，从而得到更合适的信号。R6和R7为放大电路的集电极偏置电阻，C3,C4为放大电路耦合滤波电容
图2-3

图右边是选频网络，使电路有很强的抗干扰能力。U2是LM567。LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，
f2≈1/1.1RC=5KHz
没有人干手时，红外接收电路N2接收不到VD向外发射的红外线，U2的3脚无信号输入，8脚为高电平；当人手放到干手器下时，U2接收到人手反射的红外线并经N2放大后，输入到U2的3脚，由U2内部处理后使N3的8脚输出低电平，通过检测是否有手要烘干，使8脚输出不同的高低电平。达到控制吹风电路是否工作。
实际应用中调整C18的大小可使BW在0％～4％范围内变化。BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。
2.3 开关延迟电路
图2-4时间延迟和继电器电路，由两部分构成由555集成电路构成的单稳态电路。当手需烘干时,由于手对红外线的反射作用，使红外接收管能够接收到红外线脉冲信号，经过由上级放大和LM567选频网络，在TRIG端产生一个低电平信号，555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出高电平；单稳态电路接收到触发信号，输出点Q输出为高电平并保持一段时间，延迟时间
T=1.1R*C=10M*5Uf*1.1≈55（S）
由可变电阻R11和电容C9的数值决定，通过调节可变电阻R11的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用，由上式可知该电路最大延时为55秒。
图2-4

二是由T3和R13构成的电流放大控制继电器电路。
由于继电器所需控制电流一般较大，单稳触发器往往不能满足控制之需要，所以加入放大电路。当单稳触发器输出高电平时，T3导通，继电器闭合，吹风机工作，当没有手需要烘干时，红外接收管不能接收到红外脉冲信号，没有触发信号，Q输出低电平，使三极管T3截止，吹风机电路不工作。同时电路中加入发光二极管D4作为显示电路，显示吹风机是否启动。
2.4 电热吹风机电路
图2-5吹风机开关电路，电动机直接接在220V交流电上，不能直接用数字电路中的微电来控制，所以要用继电器来控制。图S1，S2，S3分别为电阻丝开关交
流电机开关，和吹风机电路总开关，其中R14和C10与电阻丝和电机并联，起到保护电阻丝，防止其过热，和提高电机功率因数的总用，在此不过多叙述。
图2-5

2.5 电源电路
图2-6所示为电源电路，该电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电，需要注意的问题是选择合适的电池的指标参数与电路相匹配;第二种方法采用如图所示电路。电路直接从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电先通过7812转换为+12V直流电压。然后经7805输出5V电压。
电路中的变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式和D5整流电路，C11,C12和C13，C14，C15，C16滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。该电源可以满足上述各个模块的用电需要。
图2-6

3. 元气件选型
3.1 NE555
概述：
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同，而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉冲信号。
特点：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
NE555功能表及引脚分布说明：
如图3-1为NE555的功能表
TH

OUT
放电管T
×
×
0
0
导通
＞ V CC
＞ V CC
1
0
导通

＜ V CC
＞ V CC
1
保持
保持
＜ V CC
＜ V CC
1
1
截止
图3-1 555定时器功能表
NE555内部电路、引脚图如图3-2所示

图3-2 NE555内部电路、引脚图
pin 1 -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 -当时间周期开始时，555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
Pin 4 -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位，即复位端。它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin 5 -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当定时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6 - 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
Pin 7 -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin 8(V +)-这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
参数功能特性：
供应电压4.5-16 V
输出电流225mA (max)
上升/下降时间100 ns
3.2 LM567　
LM567为8脚直插式封装，其引脚定义及外围元件连接方法如下图3-3。LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一个电容器接
图3-3 LM567 外围电路及管脚模型
地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图3的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。
实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比，其值再乘上100％才是锁相环路的实际捕获带宽。实际应用中调整C2的大小可使BW在0％～4％范围内变化。BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。当用于单音解码时，其工作特性为：当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0±BW范围内时，输出端输出一个低电平的检测信号，这就是所谓的“频率继电器”特性。利用这一特性，LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。
3.3 三端稳压管7805，7812
三段稳压管也称三端稳压集成电路
电子产品中常见到的三端 稳压 集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路 只有三条 引脚输出，分别是输入端、 接地端 和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92 封装。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。
注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般 三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5V，即经 变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。
7812主要参数有：输出直流电压 U0＝＋12V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围15～17V 。因为一般UI要比 U0大3～5V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。
特点 
*最大输出电流为1.5A
*输出电压为12V                           
*热过载保护 
*短路保护                                                 
*输出晶体管安全工作区保护

3.5 红外发光二极管
外形
　　 常用的红外发光二级管（如SE303.PH303)，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光。管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。
　　发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比约为1/3-1/4；一些电器产品红外遥控器，其占空比是1/10。减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。常见的红外发光二极管，其功率分为小功率(1mW-10mW)、中功率（20mW-50mW)和大功率（50mW-100mW以上)三大类。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。
用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光-电转换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。实用中已有红外发射和接收配对的二极管。
接收方式
红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。
双管红外发射电路
　　双管红外发射电路，可提高发射功率，增加红外发射的作用距离。

总结与体会
对于这次的课程设计让我了解到要自己设计做出一个哪怕是平日力生活中见到的最为简单的电气电子产品，也并不是像自己想想的那样简单，甚至是如果让我自己没有参考，独自的从设计电路图，到元器件的选用，再到做出整个实物出来，平我现在的知识储备几乎是不可能的，我们所能做的知识去看人家设计好的电路图，从理解其中的原理和所用到元器件、芯片的所起的作用，然后把人家的成果加以修改和应用编程我自己的知识，其实我在整个将课程设计中所学到的知识实用，就是把人家的东西转为自己的然后在加一应用。
通过这次的设计和应用，使我更加对555定时器的功能有了一个更透彻的了解，更使我对设计中所涉及的整流、滤波、稳压电路透彻的掌握，在原器件的选用上使我了解到各个元器件的功能，特性的认识，当然在这次课程设计的过程中我也遇到了许多的困难，比如在应用电路设计软件绘制电路图的工程中，由于以前对于这个软件接触不是很多所以在应用到这个软件的时候感觉到特别的生疏，不过通过一天的学习之后掌握了软件的应用，再不如说在对ML567一片锁电路和555定时器的内部结构以及接法和功能的了解都费了很大的力气，经历这次课程设计，以及平时上课中老师所讲到的知识，使我深深地感受到哪怕是一个最为简单的电子设备，其中所涉及的知识复杂度和所包含的灵巧的设计成都是自己以前所不可想象的，也使我更加对以后的课程产生了身后的学习兴趣。
通过这次制作简易干手的课程设计，是我切实的感受到原来自己所学的知识是这么的有意思，不再像课本上的那么枯燥无味，也是我对以后的学习有了更浓厚的兴趣，相信通过这次的课程设计会对我以后的学习有很大的益处和影响。

参考文献

· 李金平，沈明山 ，电子系统设计，电子工业出版社，2007年8月
· 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
· 康华光，电子技术基础，高等教育出版社，2003
· 大学生电子设计竞赛 电路设计，黄志伟编著，北京航空航天大学出版社2006
· 经典智能电路300例，任致程主编，机械工业出版社，2004年6月
· 周惠潮、孙晓峰，常用电子器件及典型应用，电子工业出版社，2007年4月
· 姚福安，电子电路设计与实践 山东科学技术出版社，2001年10月
· 王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
· 缪兴中，大学物理实验教程，科学出版社2008年1 月

附 录 一 元件清单
元件符号
描述及数量
型号及参数
'R1, R4, R6, R8, 'R2, R3, R5, R7, R9, R12, R13, R15
电阻*13
1/4W碳膜电阻器E96系列,误差（±1%）
R11
10MΩ可变电阻*1
0RV30YN20S-B105 0.4~1W碳膜电阻 误差（±10%）
C5、C8， C11、 C14， C16
电容*5
电解电容
额定电压：0～50V
误差（±10%）
C1，C2，C3，C4，C6，C7，C9，C10，C12，C13，C15
电容*11

陶瓷电容
额定电压：0～50V
误差（±10%）
D4，D5
SE303红外发射二极管*2
SE303
压降约 1.4V
电流 <20mA
D1，D2
PH302红外接收二极管*2
输出脉冲约为1mV

D3，D6
LED发光二极管*2
Scr系列
压降1.5~2.0 V
工作电流1~10 mA
D7
二极管组成整流桥*4
In4007最大整流电流:1.0A
最大反向电压:50V
最大功耗:3W
T1
三极管
3DG130
Q1，Q2
三极管*2
2N3904
U1,U3
555定时器*2
NE555D

U2
LM567*1
LM567
U4
12V三端集成稳压器*1
MC7812ACK
输出电压 12V
输入电压 14.5~27V
输出电流 100mA
工作温度 -40~125℃
U5
5V三端集成稳压器*1
MC7805ACK
输出电压 5V
输入电压 7.5~19V
输出电流 100mA
工作温度 -40~125℃
K1
继电器*1
SRD-12VDC型12V直流继电器
B1
交流电机 电动机*1
15-25W的交流吹风电动机
T2
变压器*1
220V~12V交流变压器
S1,s2,s3
开关
SW-PB
R14
电阻丝
200w电阻丝

16